Werkstoffe der Energietechnik

Kriechporen machen sich im metallographischen Querschliff als kleine Löcher auf Korngrenzen bemerkbar.

Porenkeimbildung: kleine Mengen von Verunreinigungen sind sehr wesentlich beim Entstehen von Kriechporen.

Porenwachstum: Damit ein Hohlraum wachsen kann, müssen Atome abtransportiert werden.

Ein Werkstoff kann sich auch nur durch Diffusion verformen. Triebkraft: spannungsunabhängige thermodynamische Potential der Leerstellen

Nabarro-Herring-Kriechen: Diffusion im ganzen Volumen

Coble-Kriechen: Atome diffundieren über Korngrenzen

• Teilchenvergröberung: härtende Teilchen können bei hohe Temperaturen vergröbern (Ostwald-Reifung). Festigkeitssteigerung nimmt ab. Prozess, der zum tertiären Kriechen beiträgt.
• Kriechporenbildung: Auf den Korngrenzen des Werkstoffes können durch Keimbildung und Wachstum Poren entstehen.

Gleichgewicht zwischen Verfestigung und Erholung

Die Kriechrate hängt sehr viel stärker als linear von Spannung und Temperatur ab.

E_S = A′ * Spannungⁿ * exp (- Q_eff / R*T)

1. Primäres Kriechen: Hier überwiegt die Verfestigung und die Kriechrate nimmt ab.
2. Sekundäres und stationäres Kriechen: Minimale Kriechgeschwindigkeit. Gleichgewicht zwischen Verfestigung und Erholung.
3. Tertiäres Kriechen: Hier nimmt aufgrund von Schädigungsprozessen (Kriechporenbildung, Teilchenvergröberung) die Kriechrate zu.

Er stellt eine Art temperaturkompensierte Zeit dar: P_LM = T * (C + log (t))

Damit Versuchsergebnisse, die von verschiedenen Temperaturen stammen, auf einer Kurve im Zeitstandsdiagramm abgebildet werden können.

zeitabhängige plastische Verformung eines Werkstoffs unter konstanter Last

Ja, das Zusammenspiel zweier Einzelelemente kann höhere Auswirkung als die Addition dieser beiden haben.

Reaktion eines Werkstoffes mit seiner Umgebungsatmosphäre bei erhöhten Temperaturen (bei denen wässrige Elektrolytmedien nicht vorhanden sind) -> keine Nasskorrosion!

Hochtemperaturkorrosion aus dem täglichen Leben: Auspuffrohr

Schraubverbindungen: Nachlassen der Haltekraft

Durch Kaltstarts und häufigem schnellen An- und Abschalten.

• hohe thermische Leitfähigkeit -> Vermeidung von Temperaturspitzen im Material
• kleiner thermischer Ausdehnungskoeffizient (alpha) -> geringere Spannung

Strömende Gase können zu hochfrequenten Schwingungen anregen.

Beispiel Laufschaufel: Windschatten von Leitschaufeln - volle Strömung

Ja, es können sich z.B. Turbinenschaufeln unter der Wirkung von Fliehkräften verlängern.

• dampfführende Druckrohre weiten unter Kreichbedingungen auf
• Systemkräfte aufgrund Eigengewichts kann zu Kriechen und dann zu Bruch führen

Werkstoff-Fachleute müssen sowohl über Gasturbinenwerkstoffe als auch über Werkstoffe für Dampferzeuger und Dampfturbinen Fachwissen besitzen.

höherer Wirkungsgrad

_{Abgase der Gasturbine werden verwendet, um den Dampf der nachgeschalteten Dampfturbine zu erhitzen.}

hohes T₁ der Gasturbine wird mti niedrigem T₂ der Dampfturbine verbunden -> großes Delta T

Arbeitsmedium (Wind, Wasser, Dampf, Brenngas) unter geeigneten Bedingungen über eine Turbine geleitet.

Kinetische Energie des Mediums wird in mechanische Rotationsenergie umgesetzt.

Generator: mechanische Rotationsenergie -> elektrische Energie

Zur Erhöhung des Wirkungsgrades muss T₁ erhöht oder T₂ gesenkt werden. T₂ zu senken kaum möglich -> T₁ erhöhen

-> höhere Maximaltemperaturen -> Werkstoffeigenschaften

Es gibt keine periodisch funktionierende Maschine, die nichts anderes tut, als Wärme in mechanische Arbeit zu verwandeln.

-> mit einer Wärmekraftmaschine kann man nur dann aus Wärmeenergie mechanische Energie erzeugen, wenn man gleichzeitig eine bestimmte Wämemenge bei tieferen Temperaturen abgibt.

Die von einem System mit seiner Umgebung ausgetauschte Summe von Arbeit W und Wärme Q ist gleich der Änderung der inneren Energie des Systems (U_n - U_v):

U_n - U_{v = W + Q}

• technologische Realisierbarkeit
• Wirtschaftlichkeit
• Sicherheitsrisiko
• Umwelteinflüsse
• Verfügbarkeit von Rohstoffen

Um die Erschließung neuer Energiequellen und um die optimale Nutzung vorhandener Energiequellen.

Mit der Gewinnung von Primärenergieträgern (Öl, Erdgas, Kohle, Wasserkraft), deren Umwandlung in Sekundärenergie (Benzin, Heizöl, elektrischer Strom), dem Transport, der Verteilung und der Nutzung von Primär- und Sekundärenergie.

Der Spannungsexponent ist selbst spannungsabhängig!

High symmetry: exakte Orientierung in z.B. {001}-Richtung

off-symmetriy: Abweichungen von bis 10°

• bessere Gießbarkeit
• E-Modul in <111>-Richtung sehr hoch -> sehr hohe thermische Spannungen

• Großwinkelkorngrenzen
• Freckles
• Dendriten
• Mikroporen
• Makroporosität durch Volumenschrumpfung bei Erstarrung
• kleine beliebig orientierte Fremdkörner
• Abweichung von der <100>-Erstarrungsrichtung
• rekristallisierte Bereiche

• Konstruktive Maßnahmen
• TBC (Thermal Barrier Coating)
• Korrosionsschutz (MCrAlY)

• kein C mehr in einkristallinen Legierungen
• Re wurde hinzugefügt um die Kriechresistenz durch Mischkristallverfestigung zu erhöhen
• Cr-Anteil wird reduziert (wg. Neigung zur Bildung von TCP-Phasen), Re-Anteil dagegen erhöht (MK-Verfestigung)
• Ru wird zur Erhöhung der Kriechfestigkeit hinzugegeben (Wirkung bisher noch nicht vollständig geklärt)

(1. bis 4. Generation der Ni-Basis Superlegierungen)